Examen 2008

MASTER PHYSIQUE RECHERCHE
MASTER MATERIAUX
ANNEE 2007-2008
UNIVERSITE LYON I
ECOLE CENTRALE DE LYON
INSA LYON
COURS DE THERMODYNAMIQUE ET TRANSPORT
EXAMEN DE PREMIERE SESSION
Exercice I : diagramme de phases
On considère un système liquide formé d’un polymère (chaînes de M monomères d’une
espèce A) et d’un solvant (molécules B).. On considère un modèle de type « Flory-Huggins »
sur réseau. On appelle f la fraction des sites occupée par le polymère, . (1-f) celle occupée par
les molécules de solvant
Justifier l’écriture suivante de l’énergie libre par site :
F(φ,T) = kBT [(φ /M) Log φ + (1- φ ) Log(1- φ) ] + εAA φ2 + 2 εAB φ (1- φ) + εBB (1- φ)2
Les énergies d'interaction sont négatives, et telles que |εAA + εBB| > 2 |εAB |
On pose :
χ(Τ)= − (εAA - 2 εAB + εBB ) / kBT
χ(Τ) est appelé paramètre de Flory.
On se place dans l’hypothèse φ <<1. Montrer alors, en étudiant les propriétés de convexité de
l’énergie libre ci-dessus, que le point critique de démixtion entre polymère et solvant se
trouve à une température Tc telle que le paramètre de Flory vaut 1/2 . Calculer la fraction
volumique φc de polymère au point critique, et discuter l’hypothèse φ <<1 .
Donner l’allure qualitative du diagramme de phase du mélange polymère solvant.
Exercice II : Liquides
1) La figure 1 ci-dessous représente les fonctions de corrélation entre paires d’atomes (O-H,
O-O, H-H) mesurées dans l’eau liquide dans des conditions «normales » (trait pointillé, 26
degrés, 1,1g/cc) , et également dans des conditions « supercritiques » (380 degrés Celsius,
0,73 g/cc).
a) Expliquer ce qu’on entend par « supercritique » en s’appuyant sur un diagramme de
phases schématique.
b) Expliquer quelles informations peuvent être extraites de ces fonctions de
corrélation. Discuter qualitativement la comparaison entre les deux états thermodynamiques
envisagés et comment cette différence se manifeste sur les fonctions de corrélation.
c) Suggérer la méthode de mesure qui a pu permettre d’obtenir ces résultats.
2) Donner une estimation du coefficient de diffusion d’une molécule d’eau dans l’eau dans
des conditions normales (densité 1g/cc, température 300K), sachant que la viscosité est
η= 10-3Pa.s
Exercice III : Transport
On considère une plaque d’épaisseur L d’un solide B, qui occupe l’espace pour 0< x< L.
A t=0, cette plaque ne contient aucune impureté. Elle est mise en contact avec un liquide A du
coté x=0. L’autre coté est en contact avec l’air.
1) Sachant que le coefficient de diffusion de A dans B est D, quelle est l’échelle de temps
pertinente pour que les atomes de A traversent B ?
2) Quelle est l’équation qui régit l’évolution de la concentration c(x,t) d’atomes A entre 0 et
L?
3) Pour résoudre cette équation on prend les conditions limites suivantes : on appelle C0 la
concentration de A dans un solide B qui est à l’équilibre avec le liquide. On suppose que en
x=0, le flux d’atomes entrant est de la forme
J(0,t) = K1 (C0 – c(x,t) )
Alors que du coté en contact avec l’air on a un flux sortant
J(L,t) = K2 c(x,t)
Discuter le sens physique de ces deux conditions. Quelles hypothèses suggérez-vous pour les
valeurs respectives de K2 et K1 ?
4) Calculer la solution stationnaire pour le profil c(x). Représenter le profil de concentration
lorsqu’une situation stationnaire est atteinte, en tenant compte de l’hypothèse faite pour le
rapport K2/K1